JP6823897B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

交流電圧を入力して異なる電圧や周波数の交流電圧に変換する電力変換装置や、直流電圧を入力して交流電圧に変換する電力変換装置がある。このような電力変換装置では、入力電圧が高電圧の場合には、複数の単位変換器をカスケード接続して、マルチレベル化し、位相シフト制御を用いて単位変換器を１パルス制御する手法が用いられることがある。マルチレベル化することによって、出力波形の高調波を低減し、出力に接続する高調波フィルタを小型化することが可能になる。

カスケード接続された単位変換器は、設定された位相に応じて出力することができる有効電力に相違が生じる。また、交流負荷の力率によっても単位変換器ごとに出力できる有効電力に相違が生じ得る。各単位変換器が出力する有効電力に相違が生じた結果、単位変換器に供給される直流電圧に変動が生じることがある。また、負荷の力率によっては、単位変換器が負荷からの電力を吸収しなければならない場合もある。

単位変換器に入力する直流電圧を安定化する機構を有しない場合には、単位変換器が出力するパルスの振幅に変動が生じて高調波の抑制を十分に行えない場合が生じ得る。電力変換装置が双方向の変換動作に対応していない場合に、負荷からの電力を吸収する必要が生じたときには、入力側に過大な電圧が印加されるおそれがある。

単位変換器の位相に応じて出力し得る有効電力の相違のほか、交流電圧を整流平滑して単位変換器に直流電圧を供給する場合には、整流平滑回路やその前段の変圧器の特性等によって、直流電圧にばらつきが生じる。

単位変換器に供給される直流電圧に変動やばらつきが生じた結果、電力変換装置から出力される出力電圧に歪みが生じ、高調波が増大するおそれがある。

特開２０１７−８５８１２号公報

実施形態は、供給される直流電圧の電圧値のばらつきにかかわらず、安定して負荷へ電力を供給することができる電力変換装置を提供する。

実施形態に係る電力変換装置は、第１直流電圧を入力して第１交流電圧を出力する第１単位変換器と前記第１単位変換器にカスケード接続され、第２直流電圧を入力して第２交流電圧を出力する第２単位変換器とを含む電力変換器と、前記第１単位変換器を、前記電力変換器の出力電圧に対して第１位相で駆動する第１ゲート駆動信号、および、前記第２単位変換器を、前記出力電圧に対して第２位相で駆動する第２ゲート駆動信号を生成して、前記電力変換器を位相シフト制御にもとづいて１パルス制御する制御装置と、を備える。前記第１位相および前記第２位相は、それぞれ異なる値を有する位相に設定され、前記制御装置によって、所定の周期で、前記異なる値の位相が相互に入れ替えられる。前記制御装置は、前記第１直流電圧および前記第２直流電圧のそれぞれの電圧値にもとづいて設定された補償用の値を有する位相を含むすべての位相を順次入れ替える。

本実施形態では、第１ゲート駆動信号および第２ゲート駆動信号は、それぞれ電力変換器の出力電圧に対する異なる位相が設定され、制御装置は、所定の周期で、位相を入れ替えるので、負荷の力率にかかわらず、安定して負荷へ電力を供給することができる。

実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。 図２（ａ）〜図２（ｃ）は、各単位変換器の位相の切り替えのパターンを設定したテーブルの例を示す図である。 電力変換装置の出力電圧に対する出力電流および各単位変換器の出力する電圧の位相を例示した模式的なベクトル図である。 実施形態の電力変換装置の動作を説明するためのフローチャートである。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

図１は、本実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。
図１に示すように、電力変換装置１０は、電力変換器２０と、制御装置５０と、を備える。電力変換装置１０は、入力１２を介して交流電源１に接続される。交流電源１は、たとえば電力系統であり、周波数５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの三相交流電圧を出力する。電力変換装置１０は、出力１４ａ，１４ｂを介して、負荷（図示せず）に接続される。負荷は、たとえば誘導電動機等の交流負荷である。

電力変換器２０は、変圧器２２と、単位変換器３０ａ〜３０ｄと、を含む。変圧器２２の一次側は入力１２を介して交流電源１に接続される。変圧器２２の二次側２２ａ〜２２ｄは、入力３１ａ〜３１ｄを介して、単位変換器３０ａ〜３０ｄにそれぞれ接続されている。変圧器２２の二次巻き線は、互い絶縁されており、同じ巻き数に設定されている。したがって、変圧器２２は、交流電源１の一次側の電圧を、同一電圧を有する二次側電圧に分圧して、単位変換器３０ａ〜３０ｄに供給する。変圧器の一次側と二次側の巻き数比を調整して、一次側の電圧を降圧または昇圧して、二次側でさらに分圧するようにしてもよい。

単位変換器３０ａ〜３０ｄには、ほぼ同一の電圧値を有する交流電圧が入力される。

単位変換器３０ａ〜３０ｄの出力は、カスケード接続されている。つまり、単位変換器３０ａの一方の出力３７ａは、電力変換装置１０の一方の出力１４ａに接続されている。単位変換器３０ａの他方の出力３８ａは、単位変換器３０ｂの一方の出力３７ｂに接続されている。単位変換器３０ｂの他方の出力３８ｂは、単位変換器３０ｃの一方の出力３７ｃに接続されている。単位変換器３０ｃの他方の出力３８ｃは、単位変換器３０ｄの一方の出力３７ｄに接続されている。単位変換器３０ｄの他方の出力３８ｄは、電力変換装置１０の他方の出力１４ｂに接続されている。

単位変換器３０ａは、整流回路３２ａと、平滑回路３４ａと、電圧検出器３５ａと、インバータ回路３６ａと、を含む。単位変換器３０ｂは、整流回路３２ｂと、平滑回路３４ｂと、電圧検出器３５ｂと、インバータ回路３６ｂと、を含む。単位変換器３０ｃは、整流回路３２ｃと、平滑回路３４ｃと、電圧検出器３５ｃと、インバータ回路３６ｃと、を含む。単位変換器３０ｄは、整流回路３２ｄと、平滑回路３４ｄと、電圧検出器３５ｄと、インバータ回路３６ｄと、を含む。以下では、単位変換器３０ａの構成について説明する。単位変換器３０ｂ〜３０ｄは、単位変換器３０ａと同一の構成であり詳細な説明を省略する。

整流回路３２ａは、変圧器２２の二次側２２ａから交流電圧を入力して整流して出力する。整流回路３２ａは、たとえば、三相全波整流回路である。

平滑回路３４ａは、整流回路３２ａの出力に並列に接続されている。平滑回路３４ａはたとえばコンデンサであり、整流回路３２ａとともに、整流平滑回路を構成する。平滑回路３４ａは、整流回路３２ａから出力された整流電圧を平滑して脈流を有する直流電圧（以下、単に直流電圧ともいう。）を出力する。

電圧検出器３５ａは、平滑回路３４ａの出力に接続されている。電圧検出器３５ａは、平滑回路３４ａが出力する直流電圧を検出して、直流電圧の電圧値Ｖｉａを有するデータを制御装置５０に送信する。

インバータ回路３６ａは、平滑回路３４ａから供給される直流電圧を入力して、方形波の交流電圧を出力する。インバータ回路３６ａは、たとえばフルブリッジ回路である。フルブリッジ回路は、４つのスイッチング素子ｕａ，ｖａ，ｘａ，ｙａを含む。スイッチング素子ｕａ，ｘａは直列に接続され、スイッチング素子ｖａ，ｙａは直列に接続されている。スイッチング素子ｕａ，ｘａの直列回路とスイッチング素子ｖａ，ｙａの直列回路は、並列に接続されている。スイッチング素子ｕａ，ｘａの接続ノードは、一方の出力３７ａに接続され、スイッチング素子ｖａ，ｙａの接続ノードは、他方の出力３８ａに接続されている。

インバータ回路３６ａの各スイッチング素子ｕａ，ｖａ，ｘａ，ｙａは、制御装置５０で生成されたゲート駆動信号ＶＧｕａ，ＶＧｖａ，ＶＧｘａ，ＶＧｙａによって、それぞれ駆動される。インバータ回路３６ｂの各スイッチング素子ｕｂ，ｖｂ，ｘｂ，ｙｂは、制御装置５０で生成され供給されたゲート駆動信号ＶＧｕｂ，ＶＧｖｂ，ＶＧｘｂ，ＶＧｙｂによって、それぞれ駆動される。インバータ回路３６ｃの各スイッチング素子ｕｃ，ｖｃ，ｘｃ，ｙｃは、制御装置５０で生成され供給されたゲート駆動信号ＶＧｕｃ，ＶＧｖｃ，ＶＧｘｃ，ＶＧｙｃによって、それぞれ駆動される。インバータ回路３６ｄの各スイッチング素子ｕｄ，ｖｄ，ｘｄ，ｙｄは、制御装置５０で生成され供給されたゲート駆動信号ＶＧｕｄ，ＶＧｖｄ，ＶＧｘｄ，ＶＧｙｄによって、それぞれ駆動される。

制御装置５０は、各単位変換器３０ａ〜３０ｄに入力される直流電圧の電圧値Ｖｉａ〜Ｖｉｄ、各単位変換器３０ａ〜３０ｄが出力する出力電圧の電圧値Ｖｏａ〜Ｖｏｄおよび出力電流Ｉｏｕｔ等に応じて、ゲート駆動信号を生成し、各単位変換器３０ａ〜３０ｄにそれぞれ供給する。

制御装置５０は、テーブル５２，５４を有する。後述するように、テーブル５２は、制御装置５０によって、テーブル５２ａに修正される。
図２（ａ）〜図２（ｃ）は、各単位変換器の位相の切り替えのパターンを設定したテーブルの例を示す図である。

図２（ａ）に示すように、テーブル５２には、電力変換器２０が出力する出力電圧Ｖｏｕｔに対する各単位変換器３０ａ〜３０ｄの位相が設定されている。図２（ａ）では、入出力する電圧値Ｖｉａ，Ｖｏａ〜Ｖｉｄ，Ｖｏｄを記すことによって、各単位変換器３０ａ〜３０ｄを表している。

各単位変換器３０ａ〜３０ｄに設定される位相θａ〜θｄは、４つの位相のパターンに設定される。第１のパターン［１］では、単位変換器３０ａの位相は、θａ＝＋θ１に設定され、単位変換器３０ｂの位相は、θｂ＝＋θ２に設定され、単位変換器３０ｃの位相は、θｃ＝−θ２に設定され、単位変換器３０ｄの位相は、θｄ＝−θ１に設定されている。

位相設定のパターンは、この例のように、θａ〜θｄにそれぞれの位相の設定値をサイクリックに適用してもよいし、他の設定としてもよい。各パターンは、相互に位相の設定値が異なっていればよい。

第１のパターン［１］〜第４のパターン［４］は、テーブル５２の図上に示した矢印の順に順次に切り替えられる。各パターンを切り替えるタイミングは、所定の周期であり、たとえば出力電圧Ｖｏｕｔのｎ周期である（ｎは自然数）。

第１のパターン［１］〜第４のパターン［４］を１組として、位相切替サイクルＴθと呼ぶ。位相切替サイクルＴθ内の各パターンの周期は同一に設定されている。たとえば、第１のパターン［１］〜第４のパターン［４］の周期は、それぞれ２０ｍｓに設定され、その場合には位相切替サイクルＴθは、８０ｍｓである。第１のパターン［１］〜第４のパターン［４］の組が位相切替サイクルＴθごとに周期的に表れる。図２（ａ）には、位相切替サイクルＴθが各パターン［１］〜［４］を含むことが示されており、第４のパターン［４］の後に、次の位相切替サイクルの第１のパターン［１］に戻ることが合わせて示されている。

図２（ａ）の各欄に記された（大）や（小）は、各単位変換器３０ａ〜３０ｄがその位相に設定された場合に、出力することができる有効電力の相対的な大きさを表す。有効電力が相対的に大きいときに（大）と記載され、出力することができる有効電力が相対的に小さいときに（小）と記載されている。この例では、位相＋θ１＞位相＋θ２に設定されており、位相が＋θ２，−θ２の場合に、出力することができる有効電力が相対的に大きく、位相が＋θ１，−θ１の場合に、出力することができる有効電力が相対的に小さいことを表している。

各単位変換器３０ａ〜３０ｄは、位相切替サイクルＴθ内で、設定されたすべての位相の下で動作するため、位相切替サイクルＴθにおける有効電力の平均値はほぼ等しい。そのため単位変換器間における有効電力の出力の相違による直流電圧の変動は均一化される。

本実施形態の電力変換装置１０では、制御装置５０は、各単位変換器３０ａ〜３０ｄに供給される直流電圧の電圧値Ｖｉａ〜Ｖｉｄにもとづいて、テーブル５２を修正する。図２（ｂ）には、テーブル５２を修正する場合に用いる補償用のパターンを設定したテーブル５４が示されている。

図２（ｂ）に示すように、補償用に６つのパターンが用意されている。各欄の（大）、（小）は、図２（ａ）の各欄の（大）、（小）に対応している。つまり、この（大）、（小）は、単位変換器３０ａ〜３０ｄが出力することができる有効電力Ｐａ〜Ｐｄが相対的に大きいか（大）、相対的に小さい（小）かを表している。

テーブル５４では、（大）と（小）を２つずつとした場合のすべての組み合わせが設定されている。パターン［Ａ］〜［Ｆ］は、（大）と（小）とのそれぞれ異なる組み合わせを含んでいる。（大）、（小）と記載された各欄には、（大）に対応する位相の設定値が設定され、（小）に対応する位相の設定値が設定される。

図２（ｃ）には、修正後のテーブル５２ａの例が示されている。図２（ｃ）に示すように、修正後のテーブル５２ａには、後に詳述するように、第２のパターン［２］と第３のパターン［３］との間に、補償用のパターン［Ｂ］が挿入されている。補償用のパターンは、検出された電圧値Ｖｉａ〜Ｖｉｄの大きさにもとづいて、テーブル５４から適切なパターンが選択される。選択された補償用のパターンは、第１〜第４のパターンのいずれかのパターンの間に挿入される。補償用のパターンが挿入される位置は、たとえばあらかじめ設定されている。

図２（ｃ）のＶｉａ，Ｖｏａ〜Ｖｉｄ，Ｖｏｄの欄の（下げ）、（上げ）は、単位変換器３０ａ，３０ｃの電圧値Ｖｉａ，Ｖｉｃを初期値よりも下げて、単位変換器３０ｂ，３０ｄの電圧値Ｖｉｂ，Ｖｉｄを初期値よりも上げることを意味する。修正されたテーブル５２ａでは、電圧値Ｖｉａ，Ｖｉｃが高めにばらつき、電圧値Ｖｉｂ，Ｖｉｄが低めにばらついている場合に、これらを補償して均一な電圧値に近づけるための設定が示されている。

図２（ｃ）に示した例では、新たなテーブル５２ａは、単位変換器３０ａ，３０ｃの有効電力の出力が相対的に大きくなる位相の設定（（大）となる位相設定）を、新たな位相切替サイクルＴθａ内に追加する。新たなテーブル５２ａは、単位変換器３０ｂ，３０ｄの有効電力の出力が相対的に小さくなる位相の設定（（小）となる位相設定）を、新たな位相切替サイクルＴθａ内に追加するように設定されている。

修正されたテーブル５２ａでは、補償用のパターンが追加されたために、新たな位相切替サイクルＴθａは、元の位相切替サイクルＴθよりも長い。たとえば、新たな位相切替サイクルＴθａは、各パターンを２０ｍｓとすると１００ｍｓとなる。単位変換器３０ａ，３０ｃが（大）である期間の位相切替サイクルに対する割り合いは、２０ｍｓ×２／８０ｍｓ＝０．５から２０ｍｓ×３／１００ｍｓ＝０．６に増加する。同様に、単位変換器３０ｂ，３０ｄが（小）である期間の位相切替サイクルに対する割り合いは、０．５から０．６に増加する。

つまり、テーブル５２をテーブル５２ａに修正することによって、位相切替サイクルＴθａ中に単位変換器３０ａ，３０ｃが出力する有効電力の割り合いが増加し、単位変換器３０ｂ，３０ｄが出力する有効電力の割り合いが減少する。

有効電力を出力する割り合いが増加した単位変換器３０ａ，３０ｃでは、直流電圧の電圧値Ｖｉａ，Ｖｉｃが低下し、有効電力を出力する割り合いが減少した単位変換器３０ｂ，３０ｄでは、直流電圧の電圧値Ｖｉｂ，Ｖｉｄが増大する。

換言すれば、直流電圧の電圧値が高めにばらついたために、この電圧値を下げたい場合には、（大）となる位相設定を追加し、電圧値を上げたい場合には、（小）となる位相設定を追加する。制御装置５０は、このような補償用のパターンを選定して、テーブル５２に挿入する。

制御装置５０が生成するゲート駆動信号は、位相シフト制御の原理にしたがって生成され、生成されるゲート駆動信号の位相が周期的に切り替えられる。位相の設定については、テーブル５２，５２ａにしたがって、各単位変換器３０ａ〜３０ｄへの適用のパターンが設定され、所定の周期で切り替えられ、位相切替サイクルＴθ，Ｔθａで繰り返し動作する。

このようにして、本実施形態の電力変換装置１０では、各単位変換器３０ａ〜３０ｄに供給される直流電圧の電圧値Ｖｉａ〜Ｖｉｄを補償する。これによって、各単位変換器３０ａ〜３０ｄが出力する電圧値Ｖｏａ〜Ｖｏｄを補償して、出力電圧Ｖｏｕｔの歪みを低減させることができる。

本実施形態の電力変換装置１０の動作について説明する。
図３は、電力変換装置の出力電圧に対する出力電流および各単位変換器の位相を例示する模式的なベクトル図である。
図３には、負荷の力率ｃｏｓφが１である場合の電圧Ｖｏｕｔ（実線）および出力電流Ｉｏｕｔ（一点鎖線）の関係が示されている。図３では、テーブル５２の第１のパターン［１］にしたがって、位相の設定がされている場合が示されている。

図３に示すように、単位変換器３０ａの電圧Ｖｏａの位相θａは、電圧Ｖｏｕｔに対して＋θ１の進み位相に設定されている。単位変換器３０ｂの電圧Ｖｏｂの位相θｂは、電圧Ｖｏｕｔに対して、＋θ２の進み位相に設定されている。単位変換器３０ｃの電圧Ｖｏｃの位相θｃは、電圧Ｖｏｕｔに対して、−θ２の遅れ位相に設定されている。単位変換器３０ｄの電圧Ｖｏｄの位相θｄは、電圧Ｖｏｕｔに対して、−θ１の遅れ位相に設定されている。

単位変換器３０ａ〜３０ｄが出力することができる有効電力Ｐａ〜Ｐｄは、それぞれ以下のとおりとなる。
Ｐａ＝Ｖｏａ×Ｉｏｕｔ×ｃｏｓ（＋θ１）
Ｐｂ＝Ｖｏｂ×Ｉｏｕｔ×ｃｏｓ（＋θ２）
Ｐｃ＝Ｖｏｃ×Ｉｏｕｔ×ｃｏｓ（−θ２）＝Ｖｏｃ×Ｉｏｕｔ×ｃｏｓ（＋θ２）
Ｐｄ＝Ｖｏｄ×Ｉｏｕｔ×ｃｏｓ（−θ１）＝Ｖｏｄ×Ｉｏｕｔ×ｃｏｓ（＋θ１）

Ｖｏａ＝Ｖｏｂ＝Ｖｏｃ＝Ｖｏｄ＝Ｖｏとすると、＋θ１＞＋θ２より、
Ｐａ＝Ｐｄ＜Ｐｂ＝Ｐｃ （１）
となり、相対的に大きい位相の絶対値を有する単位変換器３０ａ，３０ｄが出力する有効電力Ｐａ，Ｐｄは、相対的に小さい位相の絶対値を有する単位変換器３０ｂ，３０ｃが出力する有効電力Ｐｂ，Ｐｃよりも小さい。

本実施形態の電力変換装置１０では、制御装置５０が、テーブル５２にしたがって、位相切替サイクルＴθを繰り返して動作するので、各単位変換器３０ａ〜３０ｄが出力する有効電力の位相切替サイクルＴθにおける平均値は、ほぼ一定となる。なお、上述の議論は、力率ｃｏｓφが１よりも小さい場合についても同様であり、各単位変換器３０ａ〜３０ｄが出力する有効電力の位相切替サイクルＴθに対する平均値は、ほぼ等しくなる。

ここで、各単位変換器３０ａ〜３０ｄに供給される直流電圧の電圧値Ｖｉａ〜Ｖｉｄがばらついた場合について説明する。この場合の電圧値Ｖｉａ〜Ｖｉｄのばらつきは、単位変換器３０ａ〜３０ｄが出力する有効電力の大きさとは無関係であるものとする。電圧値Ｖｉａ〜Ｖｉｄは、単位変換器３０ａ〜３０ｄが出力する出力電圧の振幅である電圧値Ｖｏａ〜Ｖｏｄとほぼ等しい。したがって、電圧値Ｖｉａ〜Ｖｉｄのばらつきに応じて、電圧値Ｖｏａ〜Ｖｏｄに相違が生じることとなり、式（１）の関係が成立しなくなる。テーブル５２にしたがって、位相の設定パターンを順次切り替えて位相切替サイクルＴθにおける平均をとっても、電圧値Ｖｏａ〜Ｖｏｄ（すなわちＶｉａ〜Ｖｉｄ）自体が相違することとなる。そのため、異なる振幅の電圧出力によって、電力変換装置１０が出力する電圧Ｖｏｕｔに歪みが生じることとなる。

本実施形態の電力変換装置１０では、電圧値Ｖｉａ〜Ｖｉｄ，Ｖｏａ〜Ｖｏｄの相違を補償するように、位相設定のためのテーブル５２を修正する。修正されたテーブル５２ａには、直流電圧の電圧値Ｖｉａ〜Ｖｉｄのうち相対的に高い電圧値の単位変換器について、出力することができる有効電力を大きくするような位相の設定を追加する。直流電圧の電圧値Ｖｉａ〜Ｖｉｄのうち相対的に低い電圧値の単位変換器については、出力することができる有効電力を小さくするような位相の設定を追加する。制御装置５０は、これらの位相が設定された補償用のパターンをテーブル５２に追加して、新たなテーブル５２ａを生成する。

図４は、実施形態の電力変換装置の動作を説明するためのフローチャートである。
図４に示すように、ステップＳ１において、制御装置５０は、電圧検出器３５ａ〜３５ｄによって、各単位変換器３０ａ〜３０ｄに供給される直流電圧の電圧値Ｖｉａ〜Ｖｉｄを取得する。

ステップＳ２において、制御装置５０は、取得した電圧値Ｖｉａ〜Ｖｉｄをこの例では、２つのグループにグループ分けする。グループ分けは、たとえば電圧値の大きい順に並べて、より電圧値が高いものを電圧値を下げるグループに、より電圧値が低いものを電圧値を上げるグループに分ける。たとえば、制御装置５０は、電圧値の測定結果が、Ｖｉａ＞Ｖｉｃ＞Ｖｉｂ＞Ｖｉｄの場合には、電圧値を下げるグループにＶｉａ，Ｖｉｃを割り当て、電圧値を上げるグループにはＶｉｂ，Ｖｉｄを割り合てる。

ステップＳ３において、制御装置５０は、ステップＳ２で割り当てたグループ分けにしたがって、テーブル５２を修正する。

テーブル５２の修正の手順について図２（ａ）〜図２（ｃ）を再度参照して説明する。
図２（ｂ）にすでに示したように、４個の単位変換器３０ａ〜３０ｄを４種類の位相で制御する場合に、補償用のパターンは６種類存在する。そして、各補償用のパターン［Ａ］〜［Ｆ］には、位相の設定として、それぞれ４種類存在する。たとえば、パターン［Ａ］の（大）、（大）、（小）、（小）となる位相設定には、以下の設定が存在する。
＋θ２、−θ２、＋θ１、−θ１
＋θ２、−θ２、−θ１、＋θ１
−θ２、＋θ２、＋θ１、−θ１
−θ２、＋θ２、−θ１、＋θ１
パターン［Ａ］の設定として、上述のうちの１つの位相が設定される。他のパターン［Ｂ］〜［Ｆ］についても同様に４種類の位相設定のうちから１がそれぞれ設定される。

電圧値Ｖｉａ，Ｖｉｃが電圧値Ｖｉｂ，Ｖｉｄよりも低い場合（たとえばＶｉａ＞Ｖｉｃ＞Ｖｉｂ＞Ｖｉｄの場合）について説明する。
図２（ｃ）にすでに示したように、修正後のテーブル５２ａには、第２のパターン［２］と第３のパターン［３］との間に、補償用のパターン［Ｂ］が挿入されている。補償用のパターンを挿入する箇所については、あらかじめ設定されている。

この例では、電圧値Ｖｉａ，Ｖｉｃは、電圧値Ｖｉｂ，Ｖｉｄよりも高いので、単位変換器３０ａ，３０ｃが有効電力Ｐａ，Ｐｃを出力する期間の割り合いを単位変換器３０ｂ，３０ｄが有効電力Ｐｂ，Ｐｄを出力する期間の割り合いよりも多くする。

制御装置５０は、テーブル５４から、有効電力Ｐａ，Ｐｃが有効電力Ｐｂ，Ｐｄよりも大きくなるパターンを探して、テーブル５２のいずれかの列にそのパターンを挿入する。この例では、有効電力Ｐａ，Ｐｃが有効電力Ｐｂ，Ｐｄよりも大きくなるパターンは、パターン［Ｂ］であり、制御装置５０は、テーブル５４からパターン［Ｂ］を抽出して、テーブル５２の設定された列に挿入し、新たなテーブル５２ａを生成する。

テーブル５２のいずれの列に挿入するかについて、次のようにしてもよい。すなわち、電圧値の大きさがＶｉａ＞Ｖｉｃ＞Ｖｉｂ＞Ｖｉｄの場合には、もっとも高い電圧値（この例ではＶｉａ）のための補償量をもっとも大きくできることが望ましいので、（大）が連続するような箇所を探して挿入する。

この例では、単位変換器３０ａにおいて、第２のパターン［２］および第３のパターン［３］が（大）となっており、これらに連続するように補償用パターン［Ｂ］を挿入するのが効果的である。（大）が連続するためには、図示のほか、第１のパターン［１］と第２のパターン［２］との間に挿入してもよいし、第３のパターン［３］と第４のパターン［４］との間に挿入してもよい。なお、図２（ｃ）の列に補償用のパターン［Ｂ］を挿入した場合には、もっとも低い電圧値Ｖｉｄの単位変換器３０ｄにおいて、（小）を連続することができるので、好ましい。

上述では、オリジナルのテーブル５２を１回修正して新たなテーブル５２ａを生成して、補償動作は終了する場合について説明したが、継続的に電圧値を取得して、繰り返しテーブルを修正するようにしてもよい。

また、たとえば、補償すべき電圧値に応じて、テーブル５２の列間に２つ以上の補償用のパターンを挿入するようにしてもよい。

上述では、４つの単位変換器がカスケード接続された場合について説明したが、単位変換器の数に制限はない。カスケード接続する単位変換器は２つや３つでもよいし、５つでもそれ以上であってもよい。補償用のパターンのための直流電圧の電圧値のグループ分けの数も任意に設定することができる。たとえば、単位変換器が６つの場合には、たとえば、出力電圧を（大）（中）（小）の３つのグループに分けて、補償用のパターンを設定するようにしてもよい。

なお、単位変換器の個数に応じて、適切にそれぞれを位相設定することによって、出力の高調波成分を実質的にキャンセルできる。そのため、テーブル５２の位相設定をあらかじめそのような値としてもよい。

本実施形態の電力変換装置１０の効果について説明する。
本実施形態の電力変換装置１０は、カスケード接続された単位変換器３０ａ〜３０ｄを含む電力変換器２０と、単位変換器３０ａ〜３０ｄを動作させるゲート駆動信号を生成する制御装置５０と、を備える。制御装置５０は、単位変換器３０ａ〜３０ｄのために１パルス制御用のゲート駆動信号の位相をそれぞれ設定し、所定の周期ごとに設定する位相を切り替える。そのため、単位変換器３０ａ〜３０ｄごとに出力できる有効電力を実質的に等しくすることができる。単位変換器３０ａ〜３０ｄごとに出力できる有効電力を実質的に等しくすることによって、単位変換器３０ａ〜３０ｄに供給される直流電圧の電圧値の変動を実質的に均一化することができる。

本実施形態の電力変換装置１０では、単位変換器３０ａ〜３０ｄに供給される直流電圧の電圧値Ｖｉａ〜Ｖｉｄを検出して、制御装置５０は、電圧値Ｖｉａ〜Ｖｉｄに応じて位相の設定を修正する。電圧値が高めの単位変換器については、制御装置５０は、その単位変換器が出力することができる有効電力を大きくするように位相の設定を追加する。電圧値が低めの単位変換器については、制御装置５０は、その単位変換器が出力することができる有効電力を小さくするように位相の設定を追加する。

このように、供給される直流電圧の電圧値Ｖｉａ〜Ｖｉｄに応じて、各単位変換器３０ａ〜３０ｄから出力できる有効電力を調整することによって、電圧値Ｖｉａ〜Ｖｉｄを増減させることができる。そのため、直流電圧の電圧値Ｖｉａ〜Ｖｉｄがばらついても、そのばらつき分を補償することができるので、出力する出力電圧の歪みが増大することを防止することができる。

単位変換器３０ａ〜３０ｄは、整流回路３２ａ〜３２ｄおよび平滑回路３４ａ〜３４ｄからなる整流平滑回路によって、入力される交流から安定化されない直流電圧を供給されて動作する。本実施形態の電力変換装置１０では、単位変換器３０ａ〜３０ｄがそれぞれ出力する有効電力は、実質的に等しいので、安定化されない直流電圧であっても、電圧の変動を少なくすることができるので、低コストで、高調波含有の少ない出力を実現することができる。

インバータ回路３６ａ〜３６ｄに供給される直流電圧は、安定化されていなくても、各単位変換器が出力する有効電力を調整することによって、変動を抑制することができる。そのため、直流電圧の過電圧検出や、過少電圧検出のしきい値を適切に設定することができる。

負荷の力率ｃｏｓφが１より小さく、負荷から単位変換器に電力の戻りがある場合であっても、本実施形態の電力変換装置１０では、電力の戻りを生じる単位変換器を所定の周期で切り替えるので、整流回路や平滑回路に過大な負担を生じることがない。

カスケード接続された単位変換器を有する電力変換器を１パルス制御で制御する場合に、単位変換器の位相設定を適切に行うことによって、出力の高調波成分を実質的にキャンセルすることができる。そのような位相設定を行うことによって、出力の高調波フィルタを小型化したり、削除することができる。このような制御を行った場合に、単位変換器が出力する有効電力に実質的な相違があると、直流電圧に変動が生じ、出力の高調波が増大する。本実施形態の電力変換装置１０では、各単位変換器が出力する有効電力を実質的に等しくすることができるので、単位変換器に供給される直流電圧の変動を抑制することができ、効果的に高調波成分をキャンセルすることができる。

以上説明した実施形態によれば、供給される直流電圧の電圧値のばらつきにかかわらず、安定して負荷へ電力を供給することができる電力変換装置を実現することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１ 交流電源、１０ 電力変換装置、２０ 電力変換器、２２ 変圧器、３０ａ〜３０ｄ 単位変換器、３２ａ〜３２ｄ 整流回路、３４ａ〜３４ｄ 平滑回路、３５ａ〜３５ｄ 電圧検出器、３６ａ〜３６ｄ インバータ回路、５０ 制御装置、５２，５２ａ，５４ テーブル

Claims (5)

1. 第１直流電圧を入力して第１交流電圧を出力する第１単位変換器と前記第１単位変換器にカスケード接続され第２直流電圧を入力して第２交流電圧を出力する第２単位変換器とを含む電力変換器と、
   前記第１単位変換器を、前記電力変換器の出力電圧に対して第１位相で駆動する第１ゲート駆動信号、および、前記第２単位変換器を、前記出力電圧に対して第２位相で駆動する第２ゲート駆動信号を生成して、前記電力変換器を位相シフト制御にもとづいて１パルス制御する制御装置と、
   を備え、
   前記第１位相および前記第２位相は、それぞれ異なる値を有する位相に設定され、前記制御装置によって、所定の周期で、前記異なる値の位相が相互に入れ替えられ、
   前記制御装置は、
   前記第１直流電圧および前記第２直流電圧のそれぞれの電圧値にもとづいて設定された補償用の値を有する位相を含むすべての位相を順次入れ替える電力変換装置。
2. 前記制御装置は、前記第１位相が第１位相設定値に設定され、前記第２位相が前記第１位相設定値よりも小さい値を有する第２位相設定値に設定された第１パターンと、前記第１位相が前記第２位相設定値に設定され、前記第２位相が前記第１位相設定値に設定された第２パターンと、を含むテーブルを有し、
   前記制御装置は、前記補償用の位相を前記第１パターンと前記第２パターンとの間に設定した新たなテーブルを生成する請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記制御装置は、前記第１直流電圧から前記第２直流電圧のそれぞれの電圧値にもとづいて、前記第１直流電圧から前記第２直流電圧をグループ分けし、前記第１直流電圧から前記第２直流電圧のグループ分けにもとづいて、前記テーブルを修正して前記新たなテーブルを生成する請求項２記載の電力変換装置。
4. 前記新たなテーブルは、前記グループ分けされたグループのうち、より高い電圧値を含むグループでは、前記第１位相設定値を含み、より低い電圧値を含むグループでは、前記第２位相設定値を含む補償用パターンを含む請求項３記載の電力変換装置。
5. 前記第１位相設定値および前記第２位相設定値は、相殺する高調波の次数にもとづいて設定された請求項２〜４のいずれか１つに記載の電力変換装置。

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